Alginaatide ensümaatilise sulgemise dekodeerimine rohelise biotehnoloogia jaoks

Alginaatide ensümaatilise sulgemise dekodeerimine rohelise biotehnoloogia jaoks

Igal aastal ekstraheeritakse merepõhjast tuhandeid tonne pruunvetikaid, et saada selliseid ühendeid nagu alginaadid, suure tiheduse ja tugevusega suhkrute polümeer, mis pakub potentsiaalseid biotehnoloogilisi rakendusi. Barcelona ülikooli rahvusvaheline meeskond on dešifreerinud mehhanismi, mille abil teatud tüüpi ensüüm, mida nimetatakse alginaatlüaasiks (AL), suudab neid merelisi biomaterjale lagundada, võimaldades neid muu hulgas kasutada ravimikandjate, lisandite või paksendajatena. Need tulemused, mis avaldati aastalLoodussuhtlusaitab välja töötada ja kavandada uusi "kohandatud alginaate" konkreetsete rakenduste jaoks, eriti toiduainetööstuses ja biomeditsiinitööstuses.

UB meeskonna asutasid artikli esimene autor José Pablo Rivas-Fernández ja ICREA teadurprofessor Carme Rovira nii UB keemiateaduskonnast kui ka UB teoreetilise ja arvutuskeemia instituudist (IQTCub) (Dtukens, BIOTECHS, BIOTIC CHEMISTRY). Osalesid ka eksperdid Norra teaduse ja tehnoloogia ülikoolist (NTNU) ning Põhja-Carolina osariigi ülikoolist (USA).

Hoolimata alginaatide rohkusest merekeskkonnas, piirab nende potentsiaal, eriti biomeditsiinisektoris, tugevalt nende koostise ebahomogeensus looduslikus olekus – need võivad sisaldada erinevas vahekorras mannuron- ja guluroonsuhkrute segu. Teadmised Al-ensüümide toimemehhanismist, kui nad lõhuvad spetsiifiliselt selles polümeeris mannoroonhappe tüüpi suhkrut ühendavad sidemed, aitavad neid piiranguid ületada. "Tulemused panid aluse nende ensüümidega manipuleerimisele ning paremate katalüütiliste omaduste ja suurema efektiivsusega variantide kavandamisele suures skaalas.

Tööstuslikke tehnikaid ja bioprotsesse kasutades on võimalik optimeerida „rätsepatööna valmistatud alginaatide“ tootmist piisavas koguses, et rahuldada ühiskonna vajadusi,“ selgitavad teadlased.

Need leiud võimaldavad ka "loodusressursside paremat kasutamist ja rohelist majandust suurendada, kasutades ensüüme nende alginaatide tootmisel põhivahenditena", ütlevad autorid.

Arvutianalüüs superarvutiga Marenostrum 5

Osa uuringust põhines nende ensüümide toimemehhanismi arvutuslikul analüüsil, kasutades Al ensüümi kolmemõõtmelisi struktuure interaktsioonis DTU kaastöötajate saadud erinevate alginaadi variantidega. Sellele struktuurile tuginedes ja Barcelona superarvutikeskuses – Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS) asuva superarvuti MareNostrum 5 ressursse kasutades on UB meeskond läbi viinud molekulaardünaamika simulatsioone, kasutades mitmeskaalalist kvantmehaanika ja molekulaarmehaanika tehnikaid, et modelleerida ja saada üksikasjalik kirjeldus algina keemilise reaktsiooni aatomi lagunemise tasemel.

Need simulatsioonid on ühildanud varasemad teaduslikud lahknevused reaktsiooni toimumise etappide arvu kohta, kinnitades, et see toimub ühes etapis ja et polümeer puruneb keskel, mitte ühest otsast. Samuti selgitasid nad siirdeoleku olemust - kõrgeima energia konfiguratsiooni reaktsiooni ajal - kui tugevalt negatiivselt laetud liiki. "See leid viitab sellele, et meil võib olla võimalik kontrollida, millal polümeer laguneb, muteerides teatud aminohappeid ensüümi aktiivses kohas," selgitavad teadlased.

Uuringu teine ​​oluline element on see, et analüüsitud ensüümid kuuluvad lüaaside perekonda 7, mis on seni enimtuntud, võimaldades ekstrapoleerida mehhanismi, mis on kirjeldanud teisi suure biotehnoloogilise potentsiaaliga ensüüme.

Need tulemused hõlbustavad ka oluliste jääkide või aminohapete tuvastamist, mille eesmärk on parandada nende ensüümide tõhusust, mis on paljulubav uurimissuund, mille kallal UB meeskond juba töötab.

Lisaks parandavad tulemused arusaamist alginaadi keemilisest evolutsioonist selle lagunemise ajal, mis on põhielement sondide kavandamisel, mis suudavad tuvastada ja eraldada alginaadi lüaase, mida pole veel kirjeldatud. Seda silmas pidades töötavad UB teadlased praegu sondide väljatöötamisega, mis võimaldavad tõhusalt tuvastada uusi süsivesikuid sisaldavaid ensüüme.

See uuring on osa Carbocentre'ist, projektist, mida rahastab Euroopa Teadusnõukogu (ERC) sünergiatoetus. Need toetused on ühed prestiižikamad Euroopas ja neid antakse uurimisrühmadele, kes töötavad koos, et lahendada olulisi teaduslikke väljakutseid.

Allikad: